第1章计算机基础知识.

1、2121世纪高等院校计算机科学与技术规划教材世纪高等院校计算机科学与技术规划教材大学计算机基础大学计算机基础罗先文罗先文 等主编等主编中国水利水电出版社中国水利水电出版社ISBN 978-7-5084-6032-1ISBN 978-7-5084-6032-1第一章第一章 计算机基础知识计算机基础知识计算机是计算机是20世纪人类历史上最重大的科学技术发明之一。世纪人类历史上最重大的科学技术发明之一。计算机已经把人类带入了一个全新的信息化时代。计算机已经把人类带入了一个全新的信息化时代。我们生活在物质世界，也面对着信息的世界，信息高速公路，我们生活在物质世界，也面对着信息的世界，信息高速公路，数字

2、电视、机器人医生等高新产品，其中有着计算机核心技数字电视、机器人医生等高新产品，其中有着计算机核心技术支持，计算机已不再只与计算有关，它决定着我们信息社术支持，计算机已不再只与计算有关，它决定着我们信息社会中数字化生存。会中数字化生存。1.1计算机概述计算机概述计算机的定义计算机的定义计算机（计算机（Computer）是一种能接收和存储信息，并）是一种能接收和存储信息，并按照存储在其内部的程序（这些程序是人们意志的体按照存储在其内部的程序（这些程序是人们意志的体现）对输入的信息进行加工、处理，然后把处理结果现）对输入的信息进行加工、处理，然后把处理结果输出的高度自动化的电子设备。输出的高度自动

3、化的电子设备。1.1.1计算机的产生与发展计算机的产生与发展1 计算机的产生计算机的产生产生的原因产生的原因计算机的奠基人是英国科学家图灵计算机的奠基人是英国科学家图灵1.1.1计算机的产生与发展计算机的产生与发展1 计算机的产生计算机的产生世界上第一台电子数字世界上第一台电子数字计算机计算机1946年年2月，美国宾夕月，美国宾夕法尼亚大学诞生了法尼亚大学诞生了 “埃埃尼阿克尼阿克”（ENIACElectronic Numerical Integrator And Calculator 电子数字电子数字积分计算机）积分计算机）1.1.1计算机的产生与发展计算机的产生与发展1 计算机的产生计算机

4、的产生第一台电子计算机产生的意义第一台电子计算机产生的意义ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机发展历史上奠定了电子计算机的发展基础，在计算机发展历史上具有划时代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的到来。具有划时代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的到来。2计算机的发展计算机的发展第一代第一代 电子管计算机（电子管计算机（1946 1957年）年）2计算机的发展计算机的发展第二代第二代 晶体管计算机（晶体管计算机（1958 1964年）年）2计算机的发展计算机的发展第三代第三代 集成电路计算机（集成电路计算机（1965 1970年）年）2计算机的发展计算机的发展第四代第四代 大规模

5、、超大规模集成电路计算机（大规模、超大规模集成电路计算机（1971年年 现在）现在） 计算机发展各阶段示意表 器件器件年代年代电子器件电子器件主存储器主存储器外部辅助存储外部辅助存储器器处理方式处理方式运算速度运算速度第一代第一代1946-1957 电子管电子管磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁鼓磁带、磁鼓机器语言机器语言汇编语言汇编语言5千千3万次万次/秒秒第二代第二代1958-196晶体管晶体管磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓、磁芯、磁鼓、半导体存储器半导体存储器监控程序监控程序连续处理作业连续处理作业高级语言编译高级语言编译几十万百万次几十万百万次/秒秒第三代第三代1965-1970中、小规模集

6、中、小规模集成电路成电路磁带、磁鼓磁带、磁鼓磁带、磁鼓、磁带、磁鼓、磁盘磁盘多道程序多道程序实时处理实时处理百万几百万次百万几百万次/秒秒第四代第四代1971-至今至今大规模和超大大规模和超大规模集成电路规模集成电路半导体存储器半导体存储器磁带、磁盘、磁带、磁盘、光盘光盘实时、分时处理实时、分时处理网络操作系统网络操作系统几百万几百万几百万几百万亿次亿次/秒秒1.1.2计算机的特点计算机的特点运算速度快运算速度快计算精度高计算精度高具有超强记忆和逻辑判断能力具有超强记忆和逻辑判断能力实现自动控制并且具备人机交互功能实现自动控制并且具备人机交互功能可靠性高可靠性高跨地域信息资源共享跨地域信息资源

7、共享1.1.3计算机的分类计算机的分类1按计算机规模分类按计算机规模分类（1）巨型机）巨型机生产巨型机的公司有美国的生产巨型机的公司有美国的Cray公司、公司、IBM公司，日本的富士通公司、日公司，日本的富士通公司、日立公司等。立公司等。中国的银河计算机（中国的银河计算机（III型），运算速度为每秒型），运算速度为每秒130亿次，基本字长亿次，基本字长64位，位，全系统内存容量为全系统内存容量为9.15GB。蓝。蓝色基因色基因/P是由是由IBM公司与美国能源部国家核安全局公司与美国能源部国家核安全局(NNSA)联合开发的，联合开发的，每秒钟的运算次数可达千万亿次。每秒钟的运算次数可达千万亿次。

8、1.1.3计算机的分类计算机的分类1按计算机规模分类按计算机规模分类（2）大型机）大型机典型产品有美国典型产品有美国Convex公司的公司的C-1，C-2，C-3等；等；Alliant公司的公司的FX系列等。系列等。（3）中型机）中型机IBM公司一直在大中型主机市场处于霸主地位，公司一直在大中型主机市场处于霸主地位，DEC、富士、富士通、日立、通、日立、NEC也生产大中型主机。也生产大中型主机。1.1.3计算机的分类计算机的分类1按计算机规模分类按计算机规模分类（4）小型机）小型机60年代年代DEC推出一系列小型机，如推出一系列小型机，如PDP-11系列、系列、VAX-11系列。系列。HP有有

9、1000、3000系列等。系列等。1.1.3计算机的分类计算机的分类1按计算机规模分类按计算机规模分类（5）微型机）微型机使用使用Intel芯片芯片386、486、586以及奔腾等，以及奔腾等， 使用使用AMD 公公司生产的芯片的兼容机；司生产的芯片的兼容机；使用使用IBMAppleMotorola联合研制的联合研制的PowerPC芯片的芯片的机器，苹果公司的机器，苹果公司的Macintosh已有使用这种芯片的机器；已有使用这种芯片的机器；DEC公司推出使用它自己的公司推出使用它自己的Alpha芯片的机器。芯片的机器。1.1.3计算机的分类计算机的分类1按计算机规模分类按计算机规模分类（6）单

10、片型机）单片型机2按处理对象计算机分类按处理对象计算机分类（1）电子数字计算机）电子数字计算机（2）电子模拟计算机）电子模拟计算机（3）数模混合计算机）数模混合计算机1.1.3计算机的分类计算机的分类3按照计算机用途分类按照计算机用途分类（1）通用计算机）通用计算机（2）专用计算机）专用计算机1.1.4计算机的应用计算机的应用1.科学计算科学计算3.过程控制过程控制5.人工智能人工智能7. 多媒体技术多媒体技术9. 教育教育2.数据处理数据处理4.计算机辅助系统计算机辅助系统6. 文字处理文字处理8. 网络技术与信息高速公路网络技术与信息高速公路10. 军事军事1.1.5计算机的未来发展方向计

11、算机的未来发展方向1巨型化巨型化2 微型化微型化3 网络化网络化4 智能化智能化1.2计算机中信息的表示计算机中信息的表示1.2.1数制（计数制）数制（计数制）l数制是用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数值的方法。数制是用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数值的方法。按照进位方式计数的数制叫进位计数制。按照进位方式计数的数制叫进位计数制。l进位计数制就是进位计数制就是把数划分为不同的位数，逐位累加，加到一定把数划分为不同的位数，逐位累加，加到一定数量之后，再从零开始，同时向高位进位。数量之后，再从零开始，同时向高位进位。1.2计算机中信息的表示计算机中信息的表示1.2.1数制（计数制）数

12、制（计数制）l进位计数制有三个要素：数码、进位基数和位权。我们熟悉的进位计数制有三个要素：数码、进位基数和位权。我们熟悉的十进制十进制采用逢十进一，生活中也常常遇到其它进制。例如六十采用逢十进一，生活中也常常遇到其它进制。例如六十进制（每分钟进制（每分钟60秒、每小时秒、每小时60分钟，即逢分钟，即逢60进进1），十二进），十二进制，十六进制等。制，十六进制等。l十进制（十进制（Decimal）：基数为）：基数为10，10个记数符号，个记数符号，0、1、2、9。 每一个数码符号根据它在这个数中所在的位置每一个数码符号根据它在这个数中所在的位置（数位），按（数位），按“逢十进一逢十进一”来决定其

13、实际数值。来决定其实际数值。1.2计算机中信息的表示计算机中信息的表示1.2.1数制（计数制）数制（计数制）l二进制（二进制（Binary）：基数为）：基数为2，2个记数符号，个记数符号，0和和1。每个数码。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按符号根据它在这个数中的数位，按“逢二进一逢二进一”来决定其实际数值。来决定其实际数值。l八进制（八进制（Octal）：基数为）：基数为8，8个记数符号，个记数符号，0、1、2、7。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按每个数码符号根据它在这个数中的数位，按“逢八进一逢八进一”来决定其来决定其实际的数值。实际的数值。l十六进制（十六进制（Hexadeci

14、mal）：基数为）：基数为16，16个记数符号，个记数符号，09，A，B，C，D，E，F。其中。其中AF对应十进制的对应十进制的1015。每。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按个数码符号根据它在这个数中的数位，按“逢十六进一逢十六进一”决定其实决定其实际的数值。际的数值。例例1.1：十进制数：十进制数23589.35的值为：的值为： （23689.35）1021043103610281019100310-1510-2 小数点左边：从右向左，每一位对应权值分别为小数点左边：从右向左，每一位对应权值分别为100、101、102、103、104 小数点右边：从左向右，每一位对应的权值分别为小数点

15、右边：从左向右，每一位对应的权值分别为10-1、10-2例例1.2：二进制数：二进制数 （100101.01）212502402312202112002-112-2小数点左边：从右向左，每一位对应的权值分别为小数点左边：从右向左，每一位对应的权值分别为20、21、22、23、24小数点右边：从左向右，每一位对应的权值分别为小数点右边：从左向右，每一位对应的权值分别为2-1、2-2不同的进制由于其进位的基数不同权值是不同的。位置不同的进制由于其进位的基数不同权值是不同的。位置计数法小结：一般而言，对于任意的计数法小结：一般而言，对于任意的R进制数进制数an-1an-2a1a0a-1a-m （其中

16、（其中n为整数位数，为整数位数，m为小数位为小数位数），可以表示为以下和式数），可以表示为以下和式:an-1Rn-1an-2Rn-2a1R1a0R0a-1R-1a-mR-m （其中（其中R为基数）。为基数）。1.2.2 二进制二进制1 计算机采用二进制的原因计算机采用二进制的原因（1）可行性）可行性 （2）简易性）简易性 （3）逻辑性）逻辑性 2二进制代码和二进制数码二进制代码和二进制数码二进制代码是把二进制代码是把0和和l两个符号按不同顺序排列起来的一串符号。两个符号按不同顺序排列起来的一串符号。二进制数码有两个基本特征：第一，用二进制数码有两个基本特征：第一，用0、l两个不同的符号组两个不

17、同的符号组成的符号串表示数量；第二，相邻两个符号之间遵循成的符号串表示数量；第二，相邻两个符号之间遵循“逢逢2进进l”的原则，即左边的一位所代表的数目是右边紧邻同一符号所代的原则，即左边的一位所代表的数目是右边紧邻同一符号所代表的数目的表的数目的2倍。倍。二进制代码和二进制数码是既有联系又有区别的两个概念二进制代码和二进制数码是既有联系又有区别的两个概念3. 数的二进制表示和二进制运算数的二进制表示和二进制运算（1）数的二进制表示）数的二进制表示例例1.3： 265用十进制数码可以表示为（用十进制数码可以表示为（265）10 2102十十6101十十5100（100001001）2 l2802

18、7026025024123022021l20 2560000800l （265）10（2）计算机中的算术运算）计算机中的算术运算 二进制数的加法运算二进制数的加法运算 例例1.4：求（：求（1011101）2与（与（0010011）2之之和。和。 步骤如下步骤如下: 1011101 0010011 1110000（2）计算机中的算术运算）计算机中的算术运算 二进制数的乘法运算二进制数的乘法运算 例例1.5：求（：求（1101）2与（与（0101）2的乘积。的乘积。 1101 * 0101 1101 0000 1101 0000 1000001（3）计算机中的逻辑运算）计算机中的逻辑运算逻辑逻辑

19、“与与”运算规则如下：运算规则如下：000 010 100 111 即两个逻辑位进行即两个逻辑位进行“与与”运算，只要有一个为运算，只要有一个为“假假”，逻辑运算的结果为，逻辑运算的结果为“假假”。 例例1.6：如果：如果A1001111，B（1011101），），求求AB 步骤如下：步骤如下： 1001111 1011101 1001101 结果：结果： AB10011111011011001101（3）计算机中的逻辑运算）计算机中的逻辑运算逻辑逻辑“或或”运算规则如下：运算规则如下： 000 011 101 111 即两个逻辑位进行即两个逻辑位进行“或或”运算，只要有一个为运算，只要有一个

20、为“真真”，逻辑，逻辑运算的结果为运算的结果为“真真”。 例例1.7：如果：如果A1001111，B（1011101）；求）；求 AB 步骤如下步骤如下: 1001111 1011101 1011111 结果：结果：AB100111110111011011111逻辑逻辑“非非” 运算规则：运算规则：0 ， 1 ，即对逻辑位求反。，即对逻辑位求反。1.2.3进制间的转换进制间的转换不同数制间的转换采用基数乘除法。不同数制间的转换采用基数乘除法。基数乘除方法：假设将十进制数转换为基数乘除方法：假设将十进制数转换为R进制数：整数部进制数：整数部分和小数部分须分别遵守不同的转换规则：分和小数部分须分别

21、遵守不同的转换规则：对整数部分：除以对整数部分：除以R取余法，即整数部分不断除以取余法，即整数部分不断除以R取余取余数，直到商为数，直到商为0为止，最先得到的余数为最低位，最后得为止，最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位。到的余数为最高位。1.2.3进制间的转换进制间的转换对小数部分：乘对小数部分：乘R取整法，即小数部分不断乘以取整法，即小数部分不断乘以R取整数，取整数，直到小数为直到小数为0或达到有效精度为止，最先得到的整数为最高或达到有效精度为止，最先得到的整数为最高位（最靠近小数点），最后得到的整数为最低位。位（最靠近小数点），最后得到的整数为最低位。1 十进制数转换为二进制数

22、十进制数转换为二进制数例例1.8： 将（将（105.25）10转换成二进制数。转换成二进制数。1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码1 数据的概念数据的概念数据（数据（Data）是表征客观事物的、可以被记录的、能）是表征客观事物的、可以被记录的、能够被识别的各种符号，包括字符、符号、表格、声音够被识别的各种符号，包括字符、符号、表格、声音和图形、图像等。和图形、图像等。数据有两种形式。数据有两种形式。 1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码2 数据的单位数据的单位（1）位（）位（Bit）计算机中最小的数据单位是二进制的一个数位，简称为位计算机中最小的数据单位是二进制的一

23、个数位，简称为位（Bit，读音为比特）。计算机中最直接、最基本的操作就，读音为比特）。计算机中最直接、最基本的操作就是对二进制位的操作。是对二进制位的操作。1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码2 数据的单位数据的单位（2）字节（）字节（Byte）字节简写为字节简写为B，为了表示人读数据中的所有字符（字母、数，为了表示人读数据中的所有字符（字母、数字以及各种专用符号，大约有字以及各种专用符号，大约有128256个），需要个），需要7位或位或8位二进制数。因此，人们采用位二进制数。因此，人们采用8位为位为1个字节。个字节。1个字节由个字节由8个二进制数位组成。个二进制数位组成。1.2

24、.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码（2）字节（）字节（Byte）字节是计算机中用来表示存储空间大小的基本容量单字节是计算机中用来表示存储空间大小的基本容量单位。例如，计算机内存的存储容量，磁盘的存储容量位。例如，计算机内存的存储容量，磁盘的存储容量等都是以字节为单位表示的。除用字节为单位表示存等都是以字节为单位表示的。除用字节为单位表示存储容量外，还可以用千字节（储容量外，还可以用千字节（KB）、兆字节（）、兆字节（MB）以及十亿字节（以及十亿字节（GB）等表示存储容量。）等表示存储容量。1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码2 数据的单位数据的单位（2）字节（）字节（B

25、yte）1B8bit1KB 1024B 210 B 1KB 1024字节，字节， “K”的意思是的意思是“千千”1MB 1024KB 210KB 220 B 10241024B 1MB 1024KB字节，字节，“M”读读“兆兆”1GB 1024MB 210MB 230 B 10241024KB 1GB 1024MB字节，字节，“G”读读“吉吉” 1TB 1024GB 210GB 240 B 10241024MB 1TB 1024GB字节，字节，“T”读读“太太”注意位与字节的区别：位是计算机中最小数据单位，字节是计算机中基本注意位与字节的区别：位是计算机中最小数据单位，字节是计算机中基本信息单

26、位。信息单位。1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码2 数据的单位数据的单位（3）字（）字（Word）注意字与字长的区别，字是单位，而字长是指标，指注意字与字长的区别，字是单位，而字长是指标，指标需要用单位去衡量。标需要用单位去衡量。1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码3常用的数据编码常用的数据编码（1）BCD码码（2）ASCII编码编码ASCII码（码（American Standard Code for Information Interchange美国标准信息交换码）美国标准信息交换码）ASCII码已为世界公认，并在世界范围内通用。码已为世界公认，并在世界范围内通用。1.2.4计算机中的数据及编码计算机中的数据及编码3常用的数据编码常用的数据编码（3）汉字编码）汉字编码 汉字的输入码（外码）汉字的输入码（外码）编码方案大致可以分为：以汉字发音进行编码的音码，例如全拼编码方案大致可以分为：以汉字发音进行编码的音码，例如全拼码、简拼码、双拼码等；码、简拼码、双拼码等；按汉字书写的形式进行编码的形码，例如五笔字型码。按汉字书写的形式进行编码的形码，例如五笔字型码。也有音形结合的编码，例如自然码。也有音形结合的编码，例如自然码。1.2.4计算